JP3326317B2

JP3326317B2 - 電圧測定装置

Info

Publication number: JP3326317B2
Application number: JP31670095A
Authority: JP
Inventors: 忠夫永妻; 満品川; 敏嗣植田; 直杉山; 真志及川; 勉山崎; 清明小山; 満弘鈴木; 尚典林
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1995-12-05
Filing date: 1995-12-05
Publication date: 2002-09-24
Anticipated expiration: 2015-12-05
Also published as: JPH09159733A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気光学効果を有する
電気光学材料を備えたプローブを用いて電界強度を検出
する方法により集積回路などの電圧を測定する電圧測定
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、電気光学効果を有するLiTaO₃
等の電気光学材料を含むプローブを用いて集積回路等の
所定部分の電圧を非接触で測定する電圧測定装置があ
る。この装置は、図１１に示すように、ＥＯ（Electro-
Optic ）プローブティップ７０２を被測定物（試料）７
０３の電界内に位置させておき、対物レンズ７０１を通
してこのプローブ７０２内に光ビームを照射すると、電
界強度に応じて電気光学材料の屈折率が変化するため、
反射された光ビームの偏光状態が変わり、これを光検出
器（光学ユニット）により検出することによって試料の
電圧を測定するもので、これを利用した製品として例え
ば浜松ホトニクス株式会社製のＥＯ−プローバ（ＥＯＰ
−０１）がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな電圧測定装置では次のような問題があった。高周波プローブ（ＲＦプローブ）を集積回路のパッド
に接触させるとき、ＥＯプローブティップが操作の邪魔
にならないように遠方に退避する必要があり、操作性が
良くなかった。上記の操作の後、試料台上の試料（被測定ＩＣ）を
測定する前に、試料のチップの中心と、測定用の光学系
の中心に、上記ＥＯプローブティップをμｍオーダの高
精度で位置合わせする必要があるが、そのための方法な
らびに手順が極めて複雑であった。上記の操作の後、試料台の試料を測定する時には、
対物レンズの焦点にＥＯプローブティップの先端が来る
ように位置決めし、しかも試料をその先端と数μｍのギ
ャップが空くように位置決めする必要があるが、そのた
めの方法ならびに手順が複雑であった。

【０００４】本発明の目的は、このような問題を解決す
るもので、位置決めの手順が簡単で、しかも操作性に優
れた電圧測定装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明では、電界強度に応じ結晶の屈折率が変
化する電気光学材料を備えたプローブを電界中に置き、
前記電気光学材料に光を入射させ、電気光学材料を透過
した光の偏光状態の変化から電界強度を測定する方式を
用いて集積回路の電圧を測定する電圧測定装置におい
て、試料を載置する試料台と、この試料台を移動するこ
とのできる第１のステージ群と、前記プローブと測定用
の対物レンズを一体構造とし、前記プローブは水晶板に
馬蹄形状の空隙部を設けて形成されたマイクロ天秤方式
の機構の一方の円板部に取り付けられ、他方の円板部に
はバランサとしてのダミープローブが取付けられてなる
プローブユニットと、このプローブユニットとアライメ
ント用の対物レンズが取り付けられ、回転によりいずれ
も同一軸上に移動することができるレボルバと、このレ
ボルバが取り付けられると共に、レーザ光を外部から入
射し前記電気光学材料の端面で反射した光を直交した偏
光成分に分離し電気信号に変換する機能と、パターン観
測のための光を外部から入射し前記プローブユニットま
たは前記アライメント用の対物レンズに送り戻って来た
光を外部に出力する機能と、前記プローブユニットの先
端で反射された光の角度の変化によりプローブユニット
の先端が集積回路表面に接触したことを検知する手段を
持つ光学系ユニットと、前記光学系ユニットを移動する
ことのできる第２のステージ群と、前記光学系ユニット
から位置情報を受け、少なくとも前記第２のステージ群
の駆動および停止を制御することのできる制御手段を具
備したことを特徴とする。

【０００６】

【作用】電気光学材料を備えたプローブと測定用の対物
レンズを一体構造とする。これにより常に電気光学材料
の先端で焦点が結ばれ、プローブと対物レンズの相対位
置を決める位置決めが不要となる。接触検出用の対物レ
ンズとアライメント用の対物レンズをレボルバに取り付
ける構成とすることにより、光学系全体を退避すること
なくＺ軸方向に上げてレボルバを回転させるだけで容易
に対物レンズを交換することができる。また、電動ステ
ージを使用して試料台と光学系を移動できる構成とす
る。これにより、容易に試料のチップの中心を光学系の
中心に合わせることができる。また、プローブティップ
端で反射した光の角度の変化を検出する光学系を備え、
プローブが試料に接触したことを検出し、さらにプロー
ブを上方に移動させて試料との間に所定のギャップを空
け位置決めできるように構成した。これにより、位置決
めの操作が簡単になった。また、プローブは水晶板に馬
蹄形状の空隙部を設けて形成されたマイクロ天秤方式の
機構の一方の円板部に取り付けられ、他方の円板部には
バランサとしてのダミープローブを取付け、プローブが
試料に接触するときは非常に弱い力（０．１ｇ程度）で
当るようにした。これにより、接触による接触面の損傷
を防止できる。

【０００７】

【実施例】以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。
図１は本発明に係る電圧測定装置の一実施例を示す構成
図である。図において、１はベース部、２はベース部１
の上に載置されたＸ軸方向に移動可能な第１のＸステー
ジ、３はＸステージ２の上に載置されＹ軸方向に移動可
能な第１のＹステージ、４はＹステージ３の上に載置さ
れＺ軸方向に移動可能な第１のＺステージ、５はＺステ
ージ４の上に載置され水平面で回転可能なθステージで
ある。なお、ステージ２，３，４，５から成る部分を第
１のステージ群と呼ぶ。

【０００８】２〜５の各ステージはモータドライバ／コ
ントローラ２５により電気的に制御され、また各ステー
ジは位置検出機能を有し、モータドライバ／コントロー
ラ２５にその位置情報を送る。６はＺステージ５上に取
り付けられた試料台、７は試料台６に載置する試料であ
る。試料７はＩＣのウェハやパッケージクングされたＩ
Ｃなどであり、ＲＦプローブ９から駆動信号が与えられ
る。ＲＦプローブ９はマニピュレータで動かされ、ＩＣ
のパッドに接触するように動く。図ではマニピュレータ
はＲＦプローブ９に含めて示してある。ＲＦプローブ９
はＲＦプラテン８の上に取り付けられている。

【０００９】１１はＸ軸方向に移動可能な第２のＸステ
ージで、ブリッジ１０の上に載置されている。ブリッジ
１０は、Ｘステージ１１およびその上に搭載の機構およ
び光学系を試料台に対して適切な高さに保つための支持
枠である。１２は第２のＸステージ１１の上に載置され
Ｙ軸方向に移動可能な第２のＹステージ、１３は第２の
Ｙステージ１２の上に載置されＺ軸方向に移動可能な第
２のＺステージである。なお、Ｘ，Ｙ，Ｚステージから
成る部分を第２のステージ群と呼ぶ。ステージ１１，１
２，１３は、位置検出機構を有し、ステージ２，３，
４，５と同様にモータドライバ／コントローラ２５から
制御されると共に位置情報をモータドライバ／コントロ
ーラ２５に送る。

【００１０】１４は光学系ユニットであり、第２のＺス
テージ１３に固着されている。図２は光学系ユニット１
４の詳細を示す図である。レーザ光源１５から入力され
たレーザ光をコリメートレンズ２０１でコリメートし、
ウェッジ板２０６で少し角度をつけて対物レンズ（図示
せず）に送る。戻ってきた光は偏光ビームスプリッタ２
１３で直交方向に分解し、フォトダイオード２１４ａ，
２１４ｂで電気信号に変換する。２０７〜２０９は試料
のパターンを観察するための照明光を前記レーザ光と合
成、分解し、カメラでとらえるためのミラーであり、２
０７がダイクロイックミラー、２０８がハーフミラー、
２０９が反射ミラーである。

【００１１】２０４，２０５は波長板であり、偏光状態
を任意の状態に調整するためのものである。２０２，２
０３は入力光の偏光状態を調整するためのモニタで、２
０２は偏光子、２０３はフォトダイオードである。２１
１，２１２はプローブが試料に接触したことを検出する
ための光学系であり、２１１はビームスプリッタ、２１
２は４分割フォトダイオードである。

【００１２】図３(a) は４分割フォトダイオード２１２
（ＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄ）の正面図であり、
プローブが試料に接していないときはスポットが４分割
の中心に当たっているがプローブが試料に接するとスポ
ットは横方向に移動する。スポットの移動は例えば同図
(b) に示すような回路により検出する。この回路は右側
と左側のフォトダイオード（それぞれ２個ずつ）に流れ
る電流を電圧に変換し、その差を求めることにより、ス
ポットの移動を検出するものである。

【００１３】再び図１に戻って、１６は信号処理装置で
あり、フォトダイオード２１４ａ，２１４ｂの出力を差
動増幅などの処理を行い表示するものである。１７は照
明用光源、１８はモニタ用のカメラである。１９は画像
処理装置であり、カメラ１８からの信号をモニタ２０で
表示できるように、あるいはコンピュータ２６で処理で
きるように変換する。モニタ２０には中央にマーカーが
印刷されていて光学系の中心がマーカー位置に一致する
ように調整されている。

【００１４】２１はレボルバで、光学系ユニット１４に
取り付けられている。２２は対物レンズ、２３は電気光
学材料などから構成されるプローブティップとプローブ
ティップ保持機構および接触位置検出機構からなるプロ
ーブユニットである。第１の対物レンズ２２とプローブ
ユニット２３は一体構造となっており、対物レンズ２２
上端がレボルバ２１に取り付けられる。レボルバ２１に
は第２の対物レンズ２４が取り付けられていて、レボル
バ２１を回転することによりプローブユニット２３と対
物レンズ２４を同一軸上に移動することができるように
なっている。

【００１５】プローブユニット２３は、例えば図４に示
すようにＥＯプローブティップを水晶の板に接着したも
のを中空のセラミックの筒で固定したものと、それと対
物レンズ２２を固定する機構を持つものである。このよ
うなプローブユニット２３は図５に示すような構成によ
り対物レンズ２２と連結されている。図５において、５
０２は対物レンズ２２の下端に係合する溝付きリングで
あり、このリング５０２に筒５０３（プローブユニット
２３が取り付けられている）の上端部がねじ５０４によ
りねじ止めされている。

【００１６】なお、対物レンズ２２とＥＯプローブティ
ップの相対距離はレーザ光がプローブの先端で焦点を結
ぶように調整されている。ＥＯプローブティップは、例
えば図６に示すように、水晶板６０１に馬蹄形状の空隙
部６０４，６０５により形成されたマイクロ天秤方式の
機構の一方の円板部に取り付けられている。なお他方の
円板部にはバランサとしてのダミープローブティップ６
０３が取り付けられている。このような構造のため、プ
ローブの先端が他の物体に当たったときは非常に弱い力
（０．１ｇ程度）で当たり、接触による接触面の損傷を
防ぐことができる。

【００１７】第２の対物レンズ２４は、ＲＦプローブ９
を試料７に接触させるための位置合わせなどに使用する
もので、対物レンズ２２に比較すると低倍率のものであ
る。

【００１８】モータードライバ／コントローラ２５はコ
ンピュータ２６または操作パネル２７により制御され、
各ステージのモータ（図示せず）をドライブあるいは制
御する。２８は接触位置検出回路であり、４分割フォト
ダイオード２１２の出力を図３(b) に示すような回路で
処理してプローブユニット２３の先端が試料７に接触し
たことを検出し、その出力がある規定値を越えたとき割
込みあるいはステータスでモータードライバ／コントロ
ーラ２５やコンピュータ２６に通知する。

【００１９】このような構成において、試料を測定する
場合の手順について以下説明する。試料の例として図７
に示すようなＩＣウェハを測定する場合を例にとって説
明する。なお、ウェハには複数個のＩＣチップがあり、
ワイヤリング用のパッドがある。

【００２０】(1) 第１のＸステージ２および第１のＹス
テージ３を駆動し、試料台６を試料７が載せられる位置
まで移動する。 (2) 試料７を載せ、第１のＸステージ２およびＹステー
ジ３を初期位置まで移動する。なお、この(1) および
(2) の動作のとき、第２のＸステージ１１、第２のＹス
テージ１２および第３のＺステージ１３は上限の位置ま
で退避している。

【００２１】(3) レボルバ２１を回転させ、対物レンズ
２４を試料７の上方に持って来る。 (4) モニタ２０を見ながら第２のＺステージ１３を動か
し、対物レンズ２４を試料７が観察できる位置まで下降
させる。 (5) アライメント（θ方向の調整）を行う。試料台６を
移動してアライメントのために使うスクライブラインを
決める。図８の(a) に示すようにスクライブラインの左
端寄りがモニタ２０上のマーカ点に来るように試料台６
を移動させ、所定のキーを押す。次に図８の(b) に示す
ようにＸ方向に移動すると共にスクライブラインの右端
寄りが同じ位置に来るようにＹ方向に移動して（図８の
(c) ）試料台６を移動させ所定のキーを押す。コンピュ
ータ２６は所定のキーが押されたときにモニタドライバ
／コントローラ２５から取り込んだ位置情報からθ回転
させる量を計算しθステージ５を回転させる。

【００２２】(6) 測定するチップの中心を光学系ユニッ
ト１４、対物レンズ２２、プローブユニット２３の光学
中心に来るように試料台６の位置決めを行う。第２のＸ
ステージ１１、第２のＹステージ１２を可動範囲のセン
ター位置にする。測定するチップの中心がモニタ２０の
マーカに来るように試料台６を移動する。精度良く行う
ために次のようにする。図９に示すようにチップの四角
形の角がモニタ２０のマーカに来るように試料台６を移
動し、所定のキーを押す。四角形の３点について同様の
操作を行い。コンピュータ２６で中心位置を求め、試料
台６を求めた位置に移動する。

【００２３】(7) 第２のＸステージ１１と第２のＹステ
ージ１２の可動範囲のソフトウェアリミットを指定す
る。図１０に示すようにチップのパッドの位置などをモ
ニタ２０のマーカの位置に来るように第２のＸステージ
１１と第２のＹステージ１２を動かし、所定のキーを押
して指定する。コンピュータ２６はこの位置を記憶して
おき、測定時にソフトウェアでリミットをかける。これ
はプローブユニット２３がＲＦプローブ９と当たるのを
防止するためである。

【００２４】(8) ＲＦプローブ９をモニタ２０を見なが
らチップのパッドに接触させる。 (9) 第２のＺステージ１３を動かし上限まで退避する。 (10)レボルバ２１を回転させ、対物レンズ２４から対物
レンズ２２に切り換える。 (11)モニタ２０を見ながら試料７のパターンが見えるま
で第２のＺステージ１３を降下させる。 (12)レーザ光源１５をＯＮし、レーザ光を光学系ユニッ
ト１４に入力する。

【００２５】(13)観測したいパターンの上にスポットが
来るように第２のＸステージ１１と第２のＹステージ１
２を動かす。すなわち、コンピュータ２６で画像処理装
置１９の出力を処理し、コンピュータ上で表示し、カー
ソルで指示することにより移動量を計算して第２のＸス
テージ１１と第２のＹステージ１２を駆動する。 (14)第２のＺステージ１３をプローブユニット２３の先
端の電気光学材料が試料７に接するまで下降させる。光
学系ユニット１４における接触位置検出用のフォトダイ
オード２１２の出力を接触位置検出回路２８で処理し、
モータドライバ／コントローラ２５に対して直接的に指
示、あるいはコンピュータ２６を経由して間接的に指示
して、第２のＺステージ１３の下降を止めるよう動作さ
せる。

【００２６】(15)所定のギャップ（例えば、数μｍ）を
開けるように第２のＺステージ１３を上方に移動する。 (16)ＲＦプローブ９から試料７を駆動する（信号源とＲ
Ｆプローブ９への信号線は図には示していない）と共
に、光学系ユニット１４内のフォトダイオード２１４の
出力を信号処理装置１６で処理する。以上のようにして
試料のあるパターン上の電界（結局はパターン電圧）波
形を測定することができる。

【００２７】なお本発明の構成は実施例に限定されるも
のではない。例えば、上記実施例ではステージはモータ
で動く形式になっているが、手動でも良い。また、プロ
ーブは対物レンズの他、光学系ユニットととも一緒に動
く形になっているが、必ずしも光学系ユニットが一緒に
動く形でなくてもよく、プローブユニットと対物レンズ
が一体的に動くようになっていればよい。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、試
料台をＸ，Ｙ，Ｚ，θ方向のすべてのステージ上に搭載
しているので、アライメントが容易である。また電気光
学材料でなるプローブユニット２３と対物レンズ２２を
一体構造とし、接触検出用およびアライメント用の対物
レンズと共にレボルバ２１に取り付けてあるので、光学
系全体を退避せずＺ方向に上げてレボルバ２１を回転さ
せるだけで容易に対物レンズを変換することができ、位
置決めなどの操作が容易である。また、レボルバ２１を
使用していることと、ステージを使用していることから
チップの中心を光学系の中心に合わせる操作が容易であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電圧測定装置の一実施例を示す構
成図

【図２】光学系ユニットの構成を示す図

【図３】４分割フォトダイオードおよび検出回路の構成
を示す図

【図４】プローブユニットの構成例

【図５】対物レンズとプローブユニットの連結状態を示
す図

【図６】ＥＯプローブティップの構成図

【図７】ＩＣウェハを試料とした場合の説明図

【図８】スクライブラインの決定手順を示す図

【図９】試料台の位置決めを説明するための図

【図１０】ソフトウェアリミット指定の動作を説明する
ための図

【図１１】従来の電圧測定装置の一例を示す要部構成図
である。

【符号の説明】１ベース２第１のＸステージ３第１のＹステージ４第１のＺステージ５第１のθステージ６試料台７試料８ＲＦプラテン９ＲＦプローブ１０ブリッジ１１第２のＸステージ１２第２のＹステージ１３第２のＺステージ１４光学系ステージ１５レーザ光源１６信号処理装置１７観察用光源１８カメラ１９画像処理装置２０モニタ２１レボルバ２２第１の対物レンズ２４第２の対物レンズ２３プローブユニット２５モータドライバ／コントローラ２６コンピュータ２７操作パネル２８接触位置検出回路ＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄフォトダイオード

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者杉山直東京都武蔵野市中町２丁目９番32号横河電機株式会社内 (72)発明者及川真志東京都武蔵野市中町２丁目９番32号横河電機株式会社内 (72)発明者山崎勉東京都武蔵野市中町２丁目９番32号横河電機株式会社内 (72)発明者小山清明東京都武蔵野市中町２丁目９番32号横河電機株式会社内 (72)発明者鈴木満弘東京都武蔵野市中町２丁目９番32号横河電機株式会社内 (72)発明者林尚典東京都武蔵野市中町２丁目９番32号横河電機株式会社内審査官小牧修 (56)参考文献特開平７−174826（ＪＰ，Ａ) 特開平４−29344（ＪＰ，Ａ) 特開平７−72159（ＪＰ，Ａ) 特開平６−224269（ＪＰ，Ａ) 特開平６−207914（ＪＰ，Ａ) 特開平３−4102（ＪＰ，Ａ) 特開平５−72299（ＪＰ，Ａ) 国際公開89／1603（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01R 31/00 - 31/44

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電界強度に応じ結晶の屈折率が変化する電
気光学材料を備えたプローブを電界中に置き、前記電気
光学材料に光を入射させ、電気光学材料を透過した光の
偏光状態の変化から電界強度を測定する方式を用いて集
積回路の電圧を測定する電圧測定装置において、試料を載置する試料台と、この試料台を移動することのできる第１のステージ群
と、前記プローブと測定用の対物レンズを一体構造とし、前
記プローブは水晶板に馬蹄形状の空隙部を設けて形成さ
れたマイクロ天秤方式の機構の一方の円板部に取り付け
られ、他方の円板部にはバランサとしてのダミープロー
ブが取付けられてなるプローブユニットと、このプローブユニットとアライメント用の対物レンズが
取り付けられ、回転によりいずれも同一軸上に移動する
ことができるレボルバと、このレボルバが取り付けられると共に、レーザ光を外部
から入射し前記電気光学材料の端面で反射した光を直交
した偏光成分に分離し電気信号に変換する機能と、パタ
ーン観測のための光を外部から入射し前記プローブユニ
ットまたは前記アライメント用の対物レンズに送り戻っ
て来た光を外部に出力する機能と、前記プローブユニッ
トの先端で反射された前記レーザ光の角度の変化により
プローブユニットの先端が集積回路表面に接触したこと
を検知する手段を持つ光学系ユニットと、前記光学系ユニットを移動することのできる第２のステ
ージ群と、前記光学系ユニットから位置情報を受け、少なくとも前
記第２のステージ群の駆動および停止を制御することの
できる制御手段を具備したことを特徴とする電圧測定装
置。